KR100464309B1 - Micro-accelerometer for detecting acceleration and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물체의 관성가속도를 검출하기 위한 마이크로가속도계 및 그 제작 방법을 기재한다. 본 발명에 따른 마이크로가속도계는 수직방향의 가속도를 감지하도록 기판과 소정의 간격으로 이격된 위치에 뜨서 기판에 수직방향으로 진동하도록 배치된 관성질량체; 관성질량체에 접속되어 수직방향으로의 진동이 가능하게 기판과의 간격을 유지토록 지지하는 적어도 하나 이상의 탄성부재; 기판에 고정되어 탄성부재를 지지하는 앵커; 탄성부재와 교차하도록 접속되어 탄성부재 및 관성질량체에 수직한 방향으로 정전력을 제공하는 이동빗살들; 이동빗살들 사이에서 일정한 간격을 유지하면서 나란하게 끼워진 고정빗살들; 및 기판 상에 형성되어 상기 고정빗살들을 고정하는 지지대;를 구비하여, 입력되는 가속도에 대하여 고정빗살과 이동빗살의 서로 겹쳐진 면적의 변화에 따른 정전용량의 변화를 전기적 신호로 변화하여 가속도를 감지한다. The present invention describes a microaccelerometer for detecting an inertial acceleration of an object and a manufacturing method thereof. Micro accelerometer according to the present invention is an inertial mass arranged to vibrate in a vertical direction to the substrate by floating at a position spaced apart from the substrate at a predetermined interval to detect the acceleration in the vertical direction; At least one elastic member connected to the inertial mass to support a distance from the substrate to enable vibration in the vertical direction; An anchor fixed to the substrate to support the elastic member; Moving combs connected to intersect the elastic member to provide electrostatic force in a direction perpendicular to the elastic member and the inertial mass; Fixed combs arranged side by side while maintaining a constant distance between the moving comb; And a support formed on the substrate to fix the fixed combs; and detecting an acceleration by changing a capacitance change according to a change in the overlapping area of the fixed comb and the moving comb into an electrical signal with respect to the input acceleration. .
Description
본 발명은 물체의 관성 가속도를 검출하기 위한 미이크로가속도계(Micro-accelerometer) 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 수직방향의 가속도 입력시 관성질량체판의 일부를 이루면서 배열되어 있는 하나 이상의 이동빗살전극과 기판에 고정되어 형성된 고정빗살전극과의 면적변화에 의한 커패시컨스(capacitance)의 변화를 감지하기 위한 마이크로 가속도계 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a micro-accelerometer for detecting an inertial acceleration of an object and a method of manufacturing the same. Specifically, at least one moving comb arranged to form a part of an inertial mass plate during vertical acceleration input. The present invention relates to a micro accelerometer for detecting a change in capacitance caused by a change in area between an electrode and a fixed comb electrode fixed to a substrate, and a manufacturing method thereof.
최근 반도체 공정 기술의 발달과 함께 미세 전기기계 시스템(Micro Electro Mechanical System)기술을 응용한 관성센서의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 실리콘 가속도계들은 구조적으로 기존 진자형 가속도계(pendulum accelerometer) 형태를 원용한 것이 많다. 또한 공정 방법면에서는 벌크 미세가공(bulk micromachining), 표면 미세가공(surface micromachining)법 또는 벌크-표면 미세가공(bulk-surface micromachining) 혼합기술을 채택하고 있었다. 이중 벌크 미세가공(bulk micromachining)은 기계적, 온도적 특성 등이 우수한 실리콘 단결정을 이용함으로서 좋은 특성을 갖는 가속도계를 제작할 수 있다.Recently, with the development of semiconductor process technology, the development of inertial sensors using Micro Electro Mechanical System technology has been actively conducted. In particular, silicon accelerometers are structurally using a conventional pendulum accelerometer. In terms of process methods, bulk micromachining, surface micromachining, or bulk-surface micromachining mixing techniques were employed. In bulk micromachining, an accelerometer having good characteristics can be manufactured by using a silicon single crystal having excellent mechanical and thermal characteristics.
미세 가속도계는 자동차의 자동항법장치, 서스펜션, 에어백 시스템에 적용되며 또한 진동, 경사, 충격등의 물리량측정 등 그 응용범위가 확대되고 있는 추세이다. 또한 최근에는 소형화, 경량화 및 저가격의 이런 시스템 개발의 경향에 부응하기 위하여 센서는 반도체공정으로 일괄제조하는 연구가 급증하고 있다. 근래에는 미국의 아날로그 디바이스(Analog Devices)사와 모토롤라(Motorola), 독일의 Bosch, 일본의 히타치(Hitachi) 등은 이미 실리콘 공정을 이용한 마이크로가속도계를 개발 제작하여 발표한 바 있다.Micro accelerometers are applied to autonomous navigation systems, suspensions, airbag systems in automobiles, and their application ranges such as physical quantity measurement such as vibration, tilt and shock are expanding. In recent years, in order to meet the trend of miniaturization, light weight, and low price of such a system, there has been a rapid increase in researches in which sensors are manufactured in a semiconductor process. Recently, analog devices in the US, Motorola, Bosch in Germany and Hitachi in Japan have already developed and released microaccelerometers using silicon processes.
수직방향의 가속도를 감지하기 위한 마이크로가속도계의 일례로서 As an example of a micro accelerometer for sensing acceleration in the vertical direction
Hitachi사의 용량형 가속도계(capacitance type accelerometer. US5,350,189)를 도 1에 도시하였다. 도시된 바와 같이, 상기 용량형 가속도계는 절연기판(1,3), 실리콘 기판(2)이 집적된 구조로 되어 있다. 고정전극(5,6)은 상기 절연기판(1,3)의 내부에 스퍼터링 기법으로 형성되어 있고 상기 절연기판(1,3)과 실리콘기판(2)는 아노딕 본딩(anodic bonding)으로 접합된 구조로 되어 있다. 이동전극(4)은 상기 이동전극(4)을 지지하기위한 캔틸래버(cantilever)에 의해 실리콘기판(2)에 수평으로 연결되어 있다. 상기 이동전극(4)의 표면은 이동전극(4)의 평면에 대하여 수직방향의 가속도를 감지 할수 있도록 전극이 형성되어 있고 공기댐핑(damping)를 감소시키기 위해 다수의 홈(7)이 파여져 있다. 수직방향의 가속도가 상기 용량형 가속도계에 입력이 되면 이동전극(4)의 진동에 의한 관성에 의해 입력된 수직방향의 가속도와 반대되는 방향으로 놓여지게 되고 상기 고정전극과 이동전극과의 간격이 변화하게 되고, 이에 의해서 용량이 변화하게 된다. 이 용량의 변화를 전기적인 신호로 측정함으로서 가속도를 감지할 수 있다. 이 용량형 가속도계는 고정전극과 이동전극과의 간격의 변화에 의한 용량의 변화를 측정하나, 거리의 변화와 용량의 변화는 비선형적인 관계이기 때문에 가속도 측정범위가 제한이 되며 이동전극(4)에 V자의 홈을 파서 공기저항을 줄이고자 하였다. 이 방법은 이동전극(4)의 표면적을 크게함과 동시에 공기의 흐름을 어느정도 제어하는 효과를 얻을 수는 있으나, 설계와 공정면에서 고감도와 큰 밴드폭을 갖도록 이동전극(4)과 상하 고정전극(5,6)간의 간격을 결정하는데 제한적인 요소를 가진다. Hitachi's capacitance type accelerometer (US Pat. No. 5,350,189) is shown in FIG. As shown, the capacitive accelerometer has a structure in which the insulating substrates 1 and 3 and the silicon substrate 2 are integrated. The fixed electrodes 5 and 6 are formed inside the insulating substrates 1 and 3 by sputtering, and the insulating substrates 1 and 3 and the silicon substrate 2 are bonded by anodic bonding. It is structured. The moving electrode 4 is horizontally connected to the silicon substrate 2 by a cantilever for supporting the moving electrode 4. The surface of the moving electrode 4 is formed with an electrode to detect the acceleration in the vertical direction with respect to the plane of the moving electrode 4, and a plurality of grooves 7 are dug to reduce air damping. When the acceleration in the vertical direction is input to the capacitive accelerometer, it is placed in the direction opposite to the acceleration in the vertical direction input by the inertia caused by the vibration of the moving electrode 4, and the distance between the fixed electrode and the moving electrode is changed. This results in a change in capacity. Acceleration can be detected by measuring this change in capacitance with an electrical signal. The capacitive accelerometer measures the change in capacitance due to the change in the distance between the fixed electrode and the moving electrode, but the acceleration measurement range is limited because the change in distance and the change in capacitance are nonlinear. The V-groove was cut to reduce air resistance. This method can increase the surface area of the moving electrode 4 and at the same time control the flow of air to some extent. However, the moving electrode 4 and the upper and lower fixed electrodes have high sensitivity and large bandwidth in terms of design and process. There is a limiting factor in determining the spacing between (5,6).
도 2는 미국특허 5,504,032에 기재된 미세기계 가속도계(micro mechanical accelerometer)의 단면도이다. 도시된 바와 같이 미세기계 가속도계는, 얇은 반도체산화막에 의하여 서로 절연이 된 5개의 반도체 wafer(1,2,3,4,5)가 접합된 구조로 구성되어 있다. 접촉창(contact windows. 10,11)을 통하여 상하 반대전극(upper,lower countereletrode. 6,7)과 폐루프를 형성하는 신호처리기를 통하면 상기 미세기계 가속도계는 차동커패시터를 형성한다. 웹(webs. 15)에 의해서 중앙프레임(central frame. 16)과 연결되어 있는 이동메스(movabal mass. 14)의 평면에 대하여 수직방향의 가속도가 입력이 되면 이동메스(14)가 상하로 진자운동을 하게된다. 이 때 상기 이동메스(14)와 상기 상하 반대전극(6,7)과의 거리변화가 발생하고 이 거리변화에 의한 용량의 변화를 전기적인 신호로 변환하여 상기 신호처리기를 통해 측정함으로서 가속도를 감지할 수 있다. 이 미세기계 가속도계는 커패시터의 변화치와 거리의 변화치가 비선형적인 관계이기 때문에 가속도 측정범위가 제한이 되는 단점이 있으며, 또한 상기 이동메스(14)와 상하 반대전극(6,7)을 구성하기 위해 여러번의 웨이퍼 미세가공 공정을 행하여야 하며, 각 구성품들을 조합하기 위해 여러번의 웨이퍼 접합을 요하는 등 공정과정이 복잡하고 공정비용이 고가이며, 또한 높은 감도를 얻기 위해서는 상기 이동메스(14)의 면적이 커야하고 이동메스(14)와 상하 반대전극(6,7)과의 거리가 매우 작아야 하지만 큰 면적의 이동메스(14)와 이동메스(14)와 상하 반대전극(6,7)간 작은 간격은 공기저항을 크게하여 가속도계의 밴드폭을 감소시키는 제한 요소로 작용하는 문제점이 있다.2 is a cross-sectional view of a micro mechanical accelerometer described in US Pat. No. 5,504,032. As shown, the micromechanical accelerometer has a structure in which five semiconductor wafers 1, 2, 3, 4, and 5 are insulated from each other by a thin semiconductor oxide film. The micromechanical accelerometer forms a differential capacitor through a signal processor forming a closed loop with upper and lower countereletrodes 6,7 through contact windows 10 and 11. When the acceleration in the vertical direction is input to the plane of the movable mass (movabal mass. 14) connected to the central frame (16) by the web (webs. 15), the movable mass 14 pendulum moves up and down. Will be At this time, a change in distance between the mobile mes 14 and the up and down opposite electrodes 6 and 7 occurs and the acceleration is sensed by converting the change in capacitance due to the distance into an electrical signal and measuring it through the signal processor. can do. This micromechanical accelerometer has a disadvantage in that the acceleration measurement range is limited because the change value of the capacitor and the change value of the distance are nonlinear, and also several times to form the movable scalpel 14 and the up and down counter electrodes 6 and 7. Wafer micromachining process is required, and the process process is complicated, process cost is high, such as several wafer bonding to combine each component, and the area of the mobile scalpel 14 is required to obtain high sensitivity. It should be large and the distance between the moving mes 14 and the up and down counter electrodes 6 and 7 should be very small, but the small distance between the moving mes 14 and the moving mes 14 and the up and down opposite electrodes 6 and 7 There is a problem that acts as a limiting factor to reduce the bandwidth of the accelerometer by increasing the air resistance.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼를 사용하여 제조 공정을 최대한 단순화하고, 질량체 부분에 상하를 관통하는 다수의 구멍을 두므로서 공기저항을 감소시키며, 면적변화에 의한 커패시턴스의 변화를 감지하므로서 감도를 최대한 높일 수 있는 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been devised to improve the above problems, using a silicon on insulator (SOI) wafer to simplify the manufacturing process as much as possible, and to reduce the air resistance by having a plurality of holes penetrating up and down in the mass portion; It is an object of the present invention to provide an area change capacitive micro accelerometer and a method of manufacturing the same, which can increase the sensitivity while detecting a change in capacitance caused by an area change.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계는, 기판; 수직방향의 가속도를 감지하도록 상기 기판과 소정의 간격으로 이격된 위치에 뜨서 상기 기판에 수직방향으로 진동하도록 배치된 관성질량체; 상기 관성질량체에 접속되어 상기 수직방향으로의 진동이 가능하게 상기 기판과의 간격을 유지토록 지지하는 적어도 하나 이상의 탄성부재; 상기 기판에 고정되어 상기 탄성부재를 지지하는 앵커; 상기 탄성부재와 교차하도록 접속되어 상기 탄성부재 및 관성질량체에 수직한 방향으로 정전력을 제공하는 이동빗살들; 상기 이동빗살들 사이에서 일정한 간격을 유지하면서 나란하게 끼워진 고정빗살들; 및 상기 기판상에 형성되어 상기 고정빗살들을 고정하는 지지대;를 구비한 것을 특징으로 한다.Area change capacitive micro-accelerometer according to the present invention to achieve the above object, the substrate; An inertial mass arranged to oscillate in a direction perpendicular to the substrate by floating at a position spaced apart from the substrate at a predetermined interval so as to sense acceleration in a vertical direction; At least one elastic member connected to the inertial mass to support a distance from the substrate to enable vibration in the vertical direction; An anchor fixed to the substrate to support the elastic member; Moving combs connected to intersect the elastic member to provide electrostatic force in a direction perpendicular to the elastic member and an inertial mass; Fixed combs arranged side by side while maintaining a constant gap between the moving combs; And a support formed on the substrate to fix the fixing combs.
본 발명에 있어서, 상기 관성질량체는 다각형 혹은 원형으로 형성되고, 상기 탄성부재와 이동빗살들 및 상기 고정빗살들은 회전 대칭형으로 형성된 것이 바람직하다. In the present invention, the inertial mass is formed in a polygonal or circular shape, the elastic member and the moving comb and the fixed comb is preferably formed in a rotationally symmetrical form.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 이동빗살 및 고정빗살은 수직 상방과 수직하방의 가속도를 감지하기 위하여 소정의 두께 차를 두어 형성하되, 전압 무인가시에 상기 고정빗살에 대한 상기 이동빗살의 수직방향으로의 위치를 다르게 배치한 것이 바람직하다. In addition, in the present invention, the moving comb and the fixed comb is formed with a predetermined thickness difference in order to detect the acceleration of vertical up and down vertically, in the vertical direction of the moving comb to the fixed comb when no voltage is applied It is preferable to arrange the position of differently.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 제작 방법은, (가) 희생층이 형성된 기판 상에 관성 질량체 형성용 실리콘층 및 배선용 금속층 순차로 증착하는 단계; (나) 상기 금속층을 패터닝하여 배선용 패턴을 형성하는 단계; (다) 상기 관성 질량체 형성용 실리콘층을 선택적으로 식각하여 관성질량체, 이동빗살, 고정빗살 및 탄성부재를 형성하는 단계; 및 (라) 상기 배선용 패턴 하부의 희생층을 제외한 모든 희생층을 제거하여 상기 관성 질량체, 이동빗살 및 탄성부재를 기판과 이격시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, the manufacturing method of the area-change capacitance type micro accelerometer according to the present invention comprises the steps of: (a) depositing a silicon layer for forming an inertial mass and a metal layer for wiring on a substrate on which a sacrificial layer is formed; ; (B) patterning the metal layer to form a wiring pattern; (C) selectively etching the inertial mass forming silicon layer to form an inertial mass, a moving comb, a fixed comb, and an elastic member; And (d) removing all the sacrificial layers except the sacrificial layer below the wiring pattern to separate the inertial mass, the moving comb, and the elastic member from the substrate.
본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계에서의 상기 배선용 금속층은 Au/Cr로 형성되고, 상기 (나) 단계는 상기 증착된 금속층을 사진식각공정을 통한 건식 식각법으로 이루어지며, 상기 (다) 단계는, 상기 이동빗살 및 고정빗살이 소정의 두께 차를 갖도록 포토리소그래피법을 이용한 건식 식각 공정을 두 번 실시하는 것이 바람직하다.In the present invention, the wiring metal layer in the step (a) is formed of Au / Cr, the step (b) is a dry etching method of the deposited metal layer through a photolithography process, the (c) In the step, the dry etching process using the photolithography method is preferably performed twice so that the movable comb and the fixed comb have a predetermined thickness difference.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계 및 그 제작 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, an area-change capacitance type micro accelerometer and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 마이크로가속도계는 인가되는 가속도나 충격, 진동으로 인한관성질량체의 변위발생부와 관성질량체의 변위발생을 전기적 신호로 출력해주는 변위감지부 회로를 구비한 집적형 마이크로가속도계에서, 입력되는 가속도에 대하여 상기 고정빗살과 이동빗살의 서로 겹쳐진 면적의 변화에 따른 정전용량의 변화를 전기적 신호로 변화하여 가속도를 감지한다. The microaccelerometer of the present invention is an integrated microaccelerometer having a displacement detection unit circuit for outputting the displacement generation of the inertial mass and the inertial mass due to the applied acceleration, shock, or vibration as an electrical signal. An acceleration is detected by changing a change in capacitance according to a change of the overlapped area of the fixed comb and the moving comb into an electrical signal.
도 3은 관성질량체의 변위발생부의 상세도로서 관성질량체(11), 스프링(10), 지지대(13), 상기 스프링에 연결되어 상기 기판(20)에 나란하게 빗살모양으로 형성된 이동빗살(5,8), 상기 지지대(13)에 연결되어 있으면서 상기 이동빗살(5,8)과 나란하게 빗살모양으로 형성된 고정빗살(6,7), 스프링(10)과 관성질량체(11)를 기판(20)에 고정하기 위한 앵커(3)들로 구성된다. 관성질량체(11)에는 공기저항을 줄이기 위해 수십개의 구멍(12)가 뚫려 있다. 관성질량체(11), 이동빗살(5,8), 고정빗살(6,7), 스프링(10)을 기판(20)에 고정하기 위한 앵커(3)와 전기적 접점을 위한 패드(1,2)는 충분히 크게하여 희생층(21)이 식각되지 않게 하여 기판(20)에 고정한다. 앵커와 전기적인 접점을 위한 패드를 제외하고 모든 구조물(5,6,7,8,9,10)은 공중에 떠 있는 형태로 구성되어 있으며, AA'와 BB'를 중심으로 상하좌우 대칭형으로 구성되어 있다. 3 is a detailed view of the displacement generating part of the inertial mass, the inertia mass 11, the spring 10, the support 13, and the moving comb 5 formed in the shape of a comb in parallel with the spring 20 connected to the spring 20; 8), the fixed comb (6,7), the spring (10) and the inertial mass (11) connected to the support 13 and formed in the shape of a comb in parallel with the movable comb (5,8) substrate 20 It is composed of anchors (3) for fixing to. Dozens of holes 12 are drilled in the inertial mass 11 to reduce air resistance. Anchors (3) for fixing the inertial mass (11), moving combs (5,8), fixed combs (6,7), spring (10) to the substrate (20) and pads (1,2) for electrical contact Is sufficiently large so that the sacrificial layer 21 is not etched and fixed to the substrate 20. Except for the pads for anchors and electrical contacts, all structures (5,6,7,8,9,10) are in the form of floating in the air, and are symmetrical with respect to AA 'and BB'. It is.
도 4는 상기 관성질량체를 중심으로 패드와 앵커가 원형으로 배열되어 형성된 것으로 작동원리는 도3에 도시된 구조물에 대한 설명과 같다.FIG. 4 is formed by arranging pads and anchors in a circle around the inertial mass, and the operating principle thereof is the same as the description of the structure shown in FIG.
도 5에서와 같이 y축 방향에 위치된 이동빗살(5)과 고정빗살(6)은 커패시터 C1을 형성하며, x축 방향에 위치된 이동빗살(8)과 고정빗살(7)은 커패시터 C2를 형성한다. 그리고 상기 C1과 C2는 차동커패시터의 배열을 구성한다. 상기 이동빗살(5,8)과 고정빗살(6,7)은 도 4에서와 같이 차동커패시터 C1과 C2를 이루고, 외부로부터 가속도 입력이 없으면 도 4에서와 같이 상기 차동커패시터 C1과 C2는 동일한 값을 유지한다. As shown in FIG. 5, the moving comb 5 and the fixed comb 6 located in the y-axis direction form the capacitor C1, and the moving comb 8 and the fixed comb 7 located in the x-axis direction form the capacitor C2. Form. And C1 and C2 form an array of differential capacitors. The moving comb 5 and 8 and the fixed comb 6 and 7 form a differential capacitor C1 and C2 as shown in FIG. 4, and if there is no acceleration input from the outside, the differential capacitors C1 and C2 have the same value as shown in FIG. 4. Keep it.
이와 같은 구성에서 외부로부터의 가속도 입력이 있을 경우, 가속도가 감지되는 원리를 를 도 6를 참조하면서 설명한다.In this configuration, when there is an acceleration input from the outside, the principle of detecting the acceleration will be described with reference to FIG. 6.
도 6에서 보듯이 외부로부터 +Z축 방향으로 가속도가 인가되면 이동빗살(5,8)이 -Z축 방향으로 움직여서 이동빗살(8)과 고정빗살(7)의 겹쳐진 면적이 감소하므로서 C2는 감소하고, 이동빗살(5)과 고정빗살(6)의 겹쳐진 면적은 변화가 없으므로 C1은 변화하지 않는다. 또한 도 7에서와 같이 외부로부터 -Z축 방향으로 가속도가 인가되면 이동빗살(5,8)이 +Z축 방향으로 움직여서 이동빗살(5)과 고정빗살(6)의 겹쳐진 면적이 감소하므로서 C1은 감소하고, 이동빗살(8)와 고정빗살(7)의 겹쳐진 면적은 변화가 없으므로 C2는 변화하지 않는다. 이때 가속도 인가에 의해 발생한 두 커패시터들의 값의 차 (C1-C2)를 도 8과 같은 구성으로 전기적 신호로 변환한다. 즉, 전압값이 동일하고 부호만 반대인 직류전압원과 주파수와 진폭이 동일하지만 위상이 반대인 교류전압원(30,31)이 도 8과 같이 이동빗살(5,8)과 고정빗살(6,7)에 인가되고, 이때 두 전원(30,31)은 차동커패시터 C1과 C2를 각각 구동한다. 인가된 가속도에 대해 관성질량체(11)와 이동빗살(5,8)이 Z방향으로의 변위 d가 발생하고 결과적으로 a점에서의 신호의 크기는 두 커패시터들(C1,C2)의 값의 차(C1-C2)와 같고, 그 값은 인가된 가속도의 크기와 비례한다. 또한, a점에서의 위상은 가속도가 인가되는 방향을 지시한다. 여기서 두 커패시턴스의 차를 전기적 신호로 바꾸어 주는 변환기로는 전하증폭기(32)가 사용되었다. 그리고 이 차동커패시터의 배열은 외부로부터의 영향, 즉 온도나 전기적 잡음 등을 차동함으로서 효과적으로 제거할 수 있다. 여기서 전하증폭기를 거친 출력은 교류전압신호이고 이 출력은 복조기(33)와 저역통과여파기(34)를 통하여 직류로 변환된다. As shown in FIG. 6, when acceleration is applied from the outside in the + Z axis direction, the moving comb teeth 5 and 8 move in the -Z axis direction, thereby reducing the overlapped area of the moving comb 8 and the fixed comb 7, thereby decreasing C2. And, since the overlapped area of the moving comb 5 and the fixed comb 6 does not change, C1 does not change. In addition, as shown in FIG. 7, when acceleration is applied from the outside in the -Z axis direction, the moving comb teeth 5 and 8 move in the + Z axis direction, so that the overlapped area of the moving comb 5 and the fixed comb 6 is reduced, and thus C1 is Since the overlapped area of the moving comb 8 and the fixed comb 7 does not change, C 2 does not change. At this time, the difference (C1-C2) between the values of the two capacitors generated by the acceleration is converted into an electrical signal in the configuration as shown in FIG. That is, AC voltage sources 30 and 31 having the same voltage value and opposite signs but opposite frequency and amplitude but opposite phases have moving combs 5 and 8 and fixed combs 6 and 7 as shown in FIG. In this case, the two power supplies 30 and 31 drive the differential capacitors C1 and C2, respectively. The displacement d in the Z direction of the inertial mass 11 and the moving comb 5 and 8 occurs with respect to the applied acceleration, and as a result, the magnitude of the signal at point a is the difference between the values of the two capacitors C1 and C2. Equal to (C1-C2), the value of which is proportional to the magnitude of the applied acceleration. In addition, the phase at point a indicates the direction in which the acceleration is applied. Here, the charge amplifier 32 is used as a converter for converting the difference between the two capacitances into an electrical signal. The arrangement of the differential capacitors can be effectively eliminated by differentially affecting external influences such as temperature and electrical noise. Here, the output through the charge amplifier is an AC voltage signal, and the output is converted into direct current through the demodulator 33 and the low pass filter 34.
한편, 상기와 같은 구조의 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계 제작 방법은 다음과 같다.On the other hand, the manufacturing method of the area-change capacitive micro-accelerometer of the above structure is as follows.
즉, 먼저, 도 9a에 도시된 바와 같이, 실리콘(20)/실리콘 산화막(21)/실리콘(23)으로 구성된 SOI 웨이퍼 위에 금속층(Au/Cr)(22)과 포토레지스트층을 차례로 증착한 다음, 사진식각 공정을 통하여 마스크(24)를 형성한다. That is, first, as shown in FIG. 9A, a metal layer (Au / Cr) 22 and a photoresist layer are sequentially deposited on an SOI wafer composed of silicon 20 / silicon oxide film 21 / silicon 23. The mask 24 is formed through a photolithography process.
다음에, 도 9b에 도시된 바와 같이, 금속층(22)을 식각하여 배선용 금속(22)를 형성한다.Next, as shown in FIG. 9B, the metal layer 22 is etched to form the wiring metal 22.
다음에, 도 9c에 도시된 바와 같이, 실리콘막(23)위에 사진식각공정을 이용하여 실리콘막(23)을 고정빗살과 이동빗살의 단차(t) 만큼 식각한다. 부재번호 25는 포토레지스트 패턴이다.Next, as shown in FIG. 9C, the silicon film 23 is etched by the step t between the fixed comb and the moving comb by using a photolithography process on the silicon film 23. Reference numeral 25 is a photoresist pattern.
다음에, 도 9d 내지 도 9e에 도시된 바와 같이, C1과 C2를 구별하기 위해 식각된 실리콘막(23) 위에 포토레지스트 패턴(26)을 형성하고, 이와 함께 앞서 형성된 포토레지스트 패턴(25)을 이용하여 실리콘막(23)을 식각하여 이동빗살(5,8) 및 고정빗살(6,7)을 형성한다.Next, as shown in FIGS. 9D to 9E, a photoresist pattern 26 is formed on the etched silicon film 23 to distinguish between C1 and C2, and the photoresist pattern 25 previously formed is formed together with the photoresist pattern 25. The silicon film 23 is etched to form the moving combs 5 and 8 and the fixed combs 6 and 7.
다음에, 도 9f에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(25, 26)을 제거하고 구조물들이 기판(20) 위에서 공중에 떠 있도록 희생층(21)을 식각하여 제거한다. 이와같이 함으로써, 두께차(t)를 가지는 고정빗살 및 이동빗살이 형성된다.Next, as shown in FIG. 9F, the photoresist patterns 25 and 26 are removed and the sacrificial layer 21 is etched away so that the structures float in the air over the substrate 20. In this manner, the fixed comb teeth and the moving comb teeth having the thickness difference t are formed.
여기서, 질량체(11), 이동빗살(5, 8), 고정빗살(6, 7), 스프링(10)등 구조물을 형성하기 위한 실리콘막(23; 도 9a 참조)은 고농도 실리콘으로 저항률이 작으며, 두께는 수십μm이다. SOI 웨이퍼 위에 금속(Au/Cr; 22)을 증착하고, 상위의 실리콘막(23)을 두 번의 사진식각공정과 실리콘 건식 식각을 통해 질량체(11), 이동빗살(5, 8), 고정빗살(6, 7), 스프링(10)등 구조물을 형성한다. 즉, 도 5와 도 9에서 보듯이 C1과 C2를 구별하기위하여 두 번의 사진식각공정과 실리콘 건식식각을 통해 두께차(t)를 만들어 고감도의 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계를 완성한다.Here, the silicon film 23 (see FIG. 9A) for forming structures such as the mass body 11, the moving comb teeth 5 and 8, the fixed comb teeth 6 and 7, the spring 10, and the like has a high resistivity, and has a low resistivity. The thickness is several tens of micrometers. A metal (Au / Cr) 22 is deposited on the SOI wafer, and the upper silicon film 23 is subjected to two photolithography processes and silicon dry etching. The mass 11, the moving combs 5 and 8, and the fixed comb 6, 7), the spring 10 to form a structure. That is, as shown in FIGS. 5 and 9, in order to distinguish between C1 and C2, a thickness difference t is formed through two photolithography processes and silicon dry etching to complete a highly sensitive area change capacitive microaccelerometer.
이와 같이, 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계는 SOI 웨이퍼를 이용한 일체형으로 제작이 되므로 정전접합공정이 별도로 필요없고, 마스크가 3장만 소요되는 매우 간단한 공정으로 가속도계를 제작할 수 있다. As described above, the area-change capacitive microaccelerometer according to the present invention is manufactured as an integrated body using an SOI wafer, so that an electrostatic accelerometer can be manufactured in a very simple process requiring no three separate masks and only three masks.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼를 사용하여 공정단계를 축소하였으며, 공기저항을 감소시키며, 고감도를 갖는 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계를 제작할 수 있다. 본 마이크로가속도계는 면적변화 커패시턴스가 기본구성이므로 입력과 출력이 선형관계를 가지며, 관성질량체, 스프링, 커패시터, 빗살등 모든 구성요소들이 동일 층으로부터 가공되므로 공정이 간단하며, 차동캐패시터 구조를 이용하여 신호대 잡음비를 대폭 개선하며, 차동캐패시터를 여러개 배열하여 감도를 크게한다. 또한 차동커패시터를 구성하기위하여 동일 실리콘층으로부터 두번의 실리콘식각공정을 이용하였다. 이와 같이 본 구조는 간편한 공정으로 고감도와 넓은 밴드폭, 저신호대 잡음비를 갖는 1축 수직 양방향 가속도계를 제작할 수 있다. As described above, the present invention reduces the process steps by using a silicon on insulator (SOI) wafer, reduces the air resistance, and can produce an area-change capacitive microaccelerometer with high sensitivity. This micro accelerometer has a linear relationship between input and output because the area change capacitance is the basic configuration, and all the components such as inertial mass, spring, capacitor, and comb are processed from the same layer, so the process is simple. It greatly improves the noise ratio and increases the sensitivity by arranging several differential capacitors. In addition, two silicon etching processes from the same silicon layer were used to construct a differential capacitor. In this way, this structure is a simple process, it is possible to manufacture a single-axis vertical bidirectional accelerometer with high sensitivity, wide bandwidth, low signal-to-noise ratio.
도 1은 종래의 마이크로가속도계의 투시 평면도,1 is a perspective plan view of a conventional micro accelerometer,
도 2는 종래의 마이크로가속도계의 투시 평면도,2 is a perspective plan view of a conventional micro accelerometer,
도 3은 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 투시 평면도,3 is a perspective plan view of an area change capacitance type micro accelerometer according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 또다른 실시예,Figure 4 is another embodiment of the area change capacitance type micro accelerometer according to the present invention,
도 5는 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 수직 단면도,5 is a vertical cross-sectional view of an area change capacitance type micro accelerometer according to the present invention;
도 6는 +Z 방향의 가속도 입력시 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 동작원리도,6 is an operation principle diagram of the area change capacitive micro accelerometer according to the present invention when the acceleration is input in the + Z direction.
도 7은 -Z 방향의 가속도 입력시 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 동작원리도,7 is an operation principle of the area-change capacitance type micro accelerometer according to the present invention when the acceleration input in the -Z direction,
도 8은 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 관성질량체의 변위발생부의 변위감지 원리를 나타내는 개념도,8 is a conceptual diagram showing the displacement detection principle of the displacement generating portion of the mass inertia of the area change capacitance type microaccelerometer according to the present invention;
도 9a 내지 도 9f는 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 제조단계별 공정후의 수직단면도이다.9A to 9F are vertical cross-sectional views after each step of manufacturing the area change capacitive microaccelerometer according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1,2. 패드 3. 앵커1,2. Pad 3. anchor
5,8. 이동빗살 6,7. 고정빗살5,8. Move comb 6,7. Fixed comb
10. 스프링 11. 관성질량체10. Spring 11. Inertial Mass
12. 구멍 13. 지지대12. Hole 13. Support
20. 기판 21. 희생층20. Substrate 21. Sacrificial Layer
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